L’universo in una stanza

Un laboratorio scientifico ad alto contenuto tecnologico, che mette a disposizione apparecchiature e impianti all’avanguardia per la ricerca sperimentale sul calcolo quantistico e la formazione accademica

Inaugurato nel marzo 2026, il Quantum Computing Lab (di seguito QCL) è la nuova eccellenza dell’Università degli Studi di Padova, un edificio a misura delle esigenze dei la­boratori del Dipartimento di Fisica e Astronomia “Galileo Galilei”, destinati allo sviluppo di un computer quantistico con la tecnica degli ioni intrappolati.

Il QCL è un’infrastruttura di ricerca altamente innovativa, punto riferimento nel panorama internazionale. Si tratta di un investi­mento strategico per l’ateneo patavino che, in collaborazione con altri enti accademici e centri di ricerca, è impegnato nel­lo sviluppo di un ecosistema completo del calcolo quantistico (hardware, software, applicazioni scientifiche e industriali) e nell’esplorazione dell’interfaccia tra calcolo e comunicazioni quantistiche. In sintesi, un computer quantistico a ioni intrappo­lati è una piattaforma in cui l’informazione quantistica è scritta e manipolata, usando ioni confinati da campi elettromagnetici. Gli ioni sono controllati con estrema precisione tramite impulsi, in particolare con laser che permettono di preparare, far evolve­re e leggere gli stati quantistici. La tecnologia è considerata tra le più promettenti per realizzare processori quantistici stabili e controllabili.

Progetto e realizzazione

Il complesso quadro esigenziale e gli orientamenti tecnici definiti dallo studio di fattibilità sono stati sviluppati fino al livello esecu­tivo da Manens S.p.A. (progetto generale e impiantistico), arch. Giovanna Mar (architettura) e ing. Michele Schiavo (strutture), in stretta collaborazione con il team tecnico e scientifico dell’ate­neo. L’edificio è stato concepito secondo principi di:

• sicurezza, anche in chiave antisismica, e continuità d’esercizio;
• elevato isolamento acustico, termico e vibrazionale, principali requisiti fisico-tecnici per soddisfare le particolari condizioni di funzionamento dei laboratori;
• flessibilità spaziale e tecnologica, per adeguarsi all’evoluzione delle esigenze scientifiche e didattiche e alla continua innova­zione delle apparecchiature;
• funzionalità e comfort per gli utilizzatori, con un’attenta defini­zione dei parametri termoigrometrici, acustici e illuminotecnici;
• sostenibilità ed efficienza energetica del sistema edificio-im­pianto, con uso delle fonti rinnovabili per realizzare un edificio “zero carbon”.

La dotazione del QCL comprende anche impianti tecnologici de­dicati all’attività di ricerca (gas tecnici, deposito criogenico, aria compressa, aspirapolvere, rilevazione della quantità di ossigeno nell’aria, controllo di sicurezza per apparecchi laser).

L’intero processo costruttivo, dalla demolizione del fabbricato esistente alla realizzazione chiavi in mano del nuovo QCL, com­presa l’installazione di tutti gli impianti, è stato eseguito dall’im­presa veronese Cubi in qualità di general contractor.

L’edificio in sintesi

Il QCL (superficie lorda 683 m²) sorge nel centro urbano di Pado­va (zona climatica E; 2.383 gradi giorno; condizioni di progetto esterne: T inverno -5 °C, Ur 80%; T estate 35 °C, Ur 40%), in un’area del campus interna a un isolato residenziale, a breve di­stanza da altre sedi dipartimentali. Risultato di un intervento di demolizione e ricostruzione, il QCL occupa praticamente lo stes­so sedime rettangolare del fabbricato preesistente.

Il nuovo edificio esprime la propria unicità attraverso un design elegante e un’estrema cura delle scelte cromatiche. La struttura è progettata per garantire condizioni operative ideali per il com­puter quantistico. Il nuovo volume si sviluppa su due livelli con un layout degli spazi interni semplice e funzionale.

L’ingresso principale è situato al centro del prospetto ovest, caratterizzato dalla facciata continua trasparente protetta da un’ampia pensilina frangisole. Le altre facciate e le principali partizioni interne sono realizzate con paramenti murari in calce­struzzo armato, rivestiti da una facciata ventilata con cappotto termofonoisolante e pannelli a lamelle verticali in metallo, che celano le aperture conferendo un’immagine continua e unifor­me. Le altre partizioni interne sono realizzate con pareti a secco ad alte prestazioni acustiche, facilmente modificabili e rimovibili. All’interno degli ambienti sono state utilizzate superfici e finiture opache, per evitare riflessi che possano disturbare le apparec­chiature scientifiche.

Reti e componenti impiantistici sono posati completamente a vista, a parete e a soffitto. Durante la posa è stata prestata par­ticolare attenzione a facilitare gli interventi di manutenzione, per minimizzare le interferenze con l’attività accademica.

Spazi e funzioni

Al piano terreno un piccolo atrio precede la sala riunioni, attrez­zata con connessioni multimediali, la control room del laborato­rio del computer quantistico e il corridoio centrale, da quale si accede agli altri laboratori e ai locali di supporto (relax, deposito, servizi igienici). Gli ambienti per la ricerca scientifica compren­dono il laboratorio del computer quantistico, 2 laboratori di fisica dell’universo, un laboratorio laser e 7 laboratori standard.

L’accesso ai singoli laboratori è mediato da bussole con tendag­gi oscuranti e tutti dispongono di almeno un’apertura verso l’e­sterno, per facilitare la movimentazione delle apparecchiature e garantire areazione e illuminazione naturale. I serramenti esterni dei laboratori sono completamente oscurabili e assicurano ele­vate prestazioni di isolamento termico, a vantaggio della stabilità delle condizioni operative interne.

Gli spazi per la ricerca sono coronati dal piano tecnico con le principali centrali impiantistiche, soluzione che facilita gestione e manutenzione indipendentemente dall’attività nei laboratori. La scala esterna si sviluppa lungo il prospetto est e conduce all’area tecnica sommitale, che comprende i locali per impianti elettrici, meccanici e rete dati, più la terrazza con il campo foto­voltaico e il chiller per la refrigerazione di processo.

Sicurezza e comfort con soluzioni sostenibili ed efficienti

L’ing. Filippo Boeche ha partecipato al team multidisciplinare che ha curato la progettazione generale e degli impianti: «Il QCL è una costruzione complessa, disegnata a misura delle esigenze dei ricercatori per supportare l’evoluzione dell’attività scientifica, garantendo sicurezza e comfort con soluzioni sostenibili ed efficienti.

Strutture, impianti e architettura concorrono alla creazione delle migliori condizioni operative per questo particolare campo della fisica sperimentale. In generale, in fase di progetto è stato necessario garantire ai laboratori la completa oscurabilità, il mantenimento della temperatura entro un range ristretto e un elevato grado di isolamento acustico e dalle vibrazioni.

Per isolare le apparecchiature, ad esempio, in alcuni laboratori il pavimento è stato posizionato sopra una platea di adeguato spessore e rigidezza, poggiata a sua volta su basamento, strato di sabbia e infine ghiaia, mentre per evitare qualsiasi disturbo di tipo ottico, tutti i laboratori sono preceduti da una bussola oscurabile e tutte le superfici interne sono opache, compresi i componenti impiantistici».

Quali sono i tratti distintivi del progetto degli impianti meccanici?

«Tutti gli impianti sono concepiti nell’ottica della flessibilità e della modularità, sia per facilitare la modifica del layout dei laboratori, con dotazioni ridondanti e numerose predisposizioni, sia per fronteggiare ulteriori incrementi del fabbisogno, ad esempio per l’assorbimento elettrico e il raffreddamento di processo.

Le dimensioni contenute dell’edificio e l’elevata densità tecnologica dei laboratori hanno imposto lo studio accurato della posizione dei componenti impiantistici, lungo le dorsali e all’interno di ogni locale. Climatizzazione e raffreddamento di processo, ad esempio, sono demandati rispettivamente a impianti VRF e idronico, autonomi e indipendenti fra loro. In ogni ambiente i terminali VRF sono alimentati da circuiti distinti, per assicurare continuità agli esperimenti anche in caso di imprevisti».

Sito, energia e risorse

Il QCL è equipaggiato con una cabina MT/BT (250 kW) e dispone di reti elettriche dedicate a diverse tipologie di utenze, fra cui quelle in continuità assoluta per:

• apparecchiature sensibili presenti nei laboratori, attestata su un UPS trifase da 60 kW, per garantire un’autonomia di 60 min e agevolare l’eventuale shut-down;
• climatizzazione, con UPS trifase (40 kW, autonomia 20 min);
• illuminazione d’emergenza, con soccorritore (2 kW, autonomia 60 min).

L’energia solare e geotermica sono le principali sorgenti rinnova­bili. L’impianto fotovoltaico (31,16 kWp) copre almeno il 20% del fabbisogno energetico su base annua dell’edificio. È composto da 62 moduli su supporto zavorrato (tilt 0°), articolati in 4 strin­ghe convergenti verso un unico inverter.

La disponibilità dell’acqua di falda (15 °C) ha permesso la rea­lizzazione di un impianto geotermico a circuito aperto, dedicato alla climatizzazione e al raffreddamento delle apparecchiature scientifiche. Il sistema è basato su 2 pozzi di presa con pompe sommerse (profondità 137 m); emungimento max 25 m3/h), uno di scorta all’altro, e su altrettanti pozzi di resa, con scambiatori a piastre (ΔT 5 °C) che separano i circuiti dell’acqua di falda da quelli della centrale.

Comfort regolabile

Ai fini della climatizzazione degli ambienti, per ciascun labora­torio sono state definite specifiche quote di dissipazione, in aria e in acqua, dei carichi termici prodotti dalle apparecchiature, in modo da garantire tutto l’anno 20÷25 (±0,5) °C. Negli altri locali la temperatura è regolata secondo la stagione, a 20 °C e a 24 °C.

Il calore dissipato in aria (circa 52 kW) è asportato da 4 impianti a espansione diretta a portata di refrigerante variabile (VRF), atte­stati su altrettante motocondensanti ad acqua di falda (comples­sivamente: 131 kWt; 118 kWf), con circuito frigorifero a recupero di calore. Oltre alla superiore efficienza e alle dimensioni ridotte, rispetto alle macchine ad aria le unità esterne sono sprovviste di ventilatori, quindi più adatte all’inserimento nel contesto urbano.

Equipaggiate con compres­sori scroll inverter (R-410A) e scambiatori a piastre incorpo­rati, le motocondensanti sono collegate a 31 unità interne a cassetta. Al piano terreno le tubazioni in rame percorrono i soffitti, dal connettivo fino ai box di derivazione situati den­tro gli spazi di supporto. I circuiti si ramificano percorrendo il pe­rimetro dei laboratori, senza attraversare i soffitti, per raggiunge­re i terminali (potenze 1,5÷2,5 kW) disposti a ridosso delle pareti.

L’impianto VRF a recupero di calore consente il funzionamento contemporaneo delle unità interne, parte in riscaldamento e parte in raffreddamento, secondo le singole necessità. Durante la piena stagione invernale, ad esempio, alcuni laboratori richie­dono raffrescamento a causa degli elevati carichi termici interni, mentre altri locali devono essere normalmente riscaldati.

In ogni laboratorio sono sempre presenti due diversi circuiti di distribuzione del refrigerante, ciascuno collegato ad almeno una unità interna, in modo da ripartire il carico fra le reti e, in caso di fermo di un impianto, minimizzare il disagio alle attività in corso.

Sonde di temperatura e comandi a parete dedicati a ciascuna unità interna permettono il controllo puntuale delle condizioni operative e la regolazione locale da parte degli utenti. I compo­nenti in campo comunicano tramite bus alla stazione di controllo e supervisione, ubicata nella control room. È previsto anche un sistema di ricambio dell’aria, con UTA corredate di doppio venti­latore con motore brushless (mandata e ripresa-espulsione) e di recuperatore di calore.

L’aria di rinnovo è distribuita con canalizzazioni a soffitto ed è immessa in ogni ambiente. La corrispondente ripresa avviene parte dagli stessi ambienti e parte dai locali di servizio. In caso di necessità, opportuni sensori di concentrazione dell’ossigeno negli ambienti provvedono a portare l’impianto di ventilazione alla massima velocità, o ad avviarlo se inattivo ad esempio nelle ore notturne.

Un sistema di regolazione manuale della portata consente di ventilare la sala riunioni solo in caso di occupazione. Le reti aerauliche sono realizzate con canali in lamiera a sezione rettangolare, distribuiti a soffitto. L’immissione in ambiente e la ripresa sono affidate a bocchette e griglie, posizionate nei vari locali. Il raffrescamento dei locali tecnici in copertura è affidato alla ventilazione forzata.

Raffreddamento di processo

I laboratori ospitano apparecchiature ad altissimo contenuto tecnologico, fra cui:

• computer quantistico a ioni intrappolati, che processa l’informazione usando ioni confinati da campi elettromagnetici;
• banchi ottici utilizzati per manipolazione, controllo e interconnessione dei qubit fotonici;
• sistemi per il controllo di precisione degli ioni tramite impulsi laser.

La maggior parte del calore prodotto dalle apparecchiature (circa 73 kW) è smaltito dall’impianto per l’acqua di processo, attestato sul circuito primario a valle degli scambiatori di calore , che alimenta anche i ventilconvettori nei locali tecnici in copertura. L’acqua è distribuita a 18 °C da un circuito ad anello con pompa di circolazione, costituito da collettori di mandata e ritorno posati a soffitto, nel corridoio, con attacchi valvolati per l’alimentazione delle utenze e predisposizioni.

Per evitare condensa superficiale e facilitare le lavorazioni, le tubazioni sono in polipropilene rigido. L’impianto è completato da un gruppo frigorifero con condensazione ad aria (77 kWf), installato sulla terrazza e supportato da 2 serbatoi inerziali (ciascuno 1.000 l), che interviene in caso di guasto, manutenzione e a supporto della capacità di raffreddamento del circuito geotermico.

Esteso a tutti gli apparecchi idronici (pompe, circolatori, valvole motorizzate, chiller), il sistema di supervisione e gestione controlla i carichi interni e opera secondo due modalità di funzionamento: a pieno carico o con limitazione di massimo assorbimento elettrico programmabile in base alla potenza disponibile.

Altri impianti meccanici

L’impianto idrico-sanitario è esteso ai servizi igienici, alla sala ri­unioni (lavamani) e ai laboratori (lavatoi tecnici). L’acqua fredda è approvvigionata dall’acquedotto, mentre l’ACS è prodotta dal modulo idronico alimentato con il calore recuperato dalle mo­tocondensanti VRF. Le linee di adduzione idrica sono realizzate con dorsali in tubi d’acciaio inox e stacchi in multistrato, mentre la rete di scarico è realizzata con tubi in pehd e, per le parti inter­rate, in pvc. Tutti i reflui e le acque meteoriche sono conferiti alla rete fognaria, previo passaggio in un pozzetto condensa grassi per le acque saponate.

Argon e azoto sono i gas tecnici attualmente al servizio delle attività di ricerca, con serbatoi posizionati in un vano tecnico esterno. L’argon è stoccato in due rampe (una di scorta) da 2 bombole (50 l, 200 bar) ciascuna, con primo stadio di riduzione della pressione a 8 bar e consegna a 4 bar. L’azoto è conservato allo stato liquido in un serbatoio criogenico (1.000 l, 3 bar), con possibilità di prelievo in fase liquida e gassosa. L’aria compressa (6÷8 bar) è prodotta da 2 compressori mono­stadio oil-free (ciascuno circa100 NI/min), corredati da doppio sistema di filtrazione e deumidificazione a ciclo frigorifero, con serbatoio incorporato in acciaio (circa 40 l).

Le tubazioni per gas tecnici e aria compressa e le predisposizioni per altri gas tecnici sono realizzate in rame. Tutte le reti percor­rono il corridoio e, in corrispondenza di ogni laboratorio, dispon­gono di attacchi valvolati.

L’impianto aspirapolvere è centralizzato nel vano tecnico in co­pertura. Dalla centrale le tubazioni servono i laboratori del com­puter quantistico e di fisica dell’universo, con attacchi a innesto rapido per manichette flessibili.

La protezione antincendio è affidata a una congrua dotazione di estintori portatili.